دیود و انواع آن

دیودها قطعاتی الکترونیکی هستند که همچون یک شیر یک طرفه عمل می‌کنند. به عبارتی جریان را فقط در یک جهت از خود عبور می‌دهند. در ساخت دیودها از نیمه ‌هادی‌هایی همچون ژرمانیوم، سیلیکون و سلنیوم استفاده می‌شود. عملکرد دیود به دو صورت است؛ اگر جریان از آن عبور کند، بایاس مستقیم است در غیر این صورت بایاس معکوس است.

برای دیودهای سیلیکونی ولتاژ آستانه هدایت 0.7 ولت و برای ژرمانیوم 0.3 ولت است.در دیود سیلیکونی، نوار تیره روی آن نشان دهنده کاتد و پایه دیگر آند است. معمولا دیودها به عنوان حفاظت در برابر ولتاژ معکوس و ولتاژهای گذرا استفاده می‌شود. دیودها انواع مختلفی دارند که در ادامه به معرفی آن‌ها خواهیم پرداخت.

دیود سیگنال کوچک

این دیودها قطعاتی کوچک با خواصی نامتناهی هستند و در کاربردهای فرکانس بالا و جریان پایین همچون رادیو و تلویزیون استفاده می‌شوند. برای حفاظت در برابر آلودگی، آن‌ها را در یک بسته‌بندی شیشه‌ای قرار می‌دهند. به همین خاطر به آن‌ها دیود شیشه‌ای رویینه[1] می‌گویند و عموما به اسم 1N4148 استفاده می‌شوند.

ظاهر دیود سیگنال نسبت به دیود قدرت بسیار کوچک است. برای نشان دادن پایه کاتد، یک لبه از دیود با رنگ قرمز یا مشکی علامت گذاری می‌شود. برای کاربردهای فرکانس بالا، راندمان دیود سیگنال کوچک بسیار بهینه است.

دیود سیلیکونی افت ولتاژ بالایی (حدود 0.6 تا 0.7 ولت) هنگام اتصال و در نتیجه مقاومت بالایی دارند، اما مقاومت هدایتشان پایین است. برعکس آن دیود ژرمانیوم افت ولتاژ کمی (حدود 0.2 تا 0.3 ولت) و در نتیجه مقاومت کمتری دارد، اما مقاومت هدایت آن زیاد است. به خاطر سیگنال کوچک بودنشان، نقطه کارشان مختل نمی‌شود.

دیود سیگنال بزرگ

این دیود‌ها لایه پیوند PN بزرگی دارند. بنابراین برای تبدیل ولتاژهای AC به DC محدودیتی ندارند. همچنین جریان هدایت و ولتاژ شکست بالایی دارند. به خاطر سیگنال بزرگ، نقطه کارشان مختل می‌شود و به همین خاطر برای کاربردهای فرکانس بالا مناسب نیستند.

کاربرد عمده آن‌ها در دستگاه‌های شارژ باتری همچون اینورترهاست. در این دیودها، محدوده مقاومت هدایت در مقیاس اهم و محدوده مقاومت معکوس در مقیاس مگا اهم است. به خاطر تحمل ولتاژ و جریان بالایی که دارند، در دستگاه‌های الکتریکی برای خنثی کردن پیک ولتاژهای بالا به کار می‌روند.

دیود زنر

دیود زنر قطعه‌ای غیر فعال است و بر اساس شکست زنری کار می‌کند. در بایاس مستقیم همانند دیود معمولی است اما در بایاس معکوس، با رسیدن ولتاژ اعمالی به ولتاژ شکست، شروع به هدایت‌پذیری می‌کند. دیود زنر برای حفاظت از دیگر قطعات نیمه‌هادی در برابر ولتاژهای لحظه‌ای استفاده می‌شود. دیود زنر همچون یک رگولاتور عمل می‌کند.

دیود نوری یا LED

این دیودها انرژی الکتریکی را به انرژی نوری تبدیل می‌کنند. طرز کار آن به این صورت است که در بایاس مستقیم، الکترون‌ها و حفره‌ها بازترکیب شده و حاصل آن انرژی است که به صورت نور منتشر می‌شود.

دیود جریان ثابت

دیود شاتکی
تحت عناوینی همچون دیود تنظیم‌کننده جریان، دیود جریان ثابت، دیود جریان محدود یا ترانزیستور دیود متصل نیز شناخته می‌شوند. عملکرد آن به این صورت است که ولتاژ را در در جریان خاصی تنظیم می‌کند.

به خاطر پیوند فلزی که دارند، این دیودها قابلیت هدایت‌پذیری جریان بالای دارند و به همین خاطر زمان کلیدزنی‌شان کاهش می‌یابد. بنابراین دیود شاتکی در کاربردهای سوئیچینگ استفاده فراوان دارد.
این دیودها از پیوند نیمه‌هادی-فلز ساخته شده‌اند. به همین خاطر حداقل افت ولتاژ هدایت را دارند. مواد نیم‌رسانای استفاده شده در تولید آن سیلیکون نوع N است که به عنوان آند و لایه فلزی به عنوان کاتد عمل می‌کند و از فلزاتی همچون مروم، پلاتین، تنگستن و … ساخته می‌شود.

پیوند نیمه‌هادی-فلز سبب شده افت ولتاژ پایین باشد. به همین دلیل راندمان دیود بالا رفته و تلفات توان آن کاهش می‌یابد. این ویژگی سبب شده تا در کاربردهای یکسوسازی فرکانس بالا از دیود شاتکی استفاده شود.

دیود شاکلی

ولین قطعه نیم‌هادی اختراع شده که 4 لایه داشت، دیود شاکلی بود. همچنین تحت عنوان دیود PNPN نیز شناخته می‌شود. دیود شاکلی معادل تریستور بدون پایه گیت است. به خاطر اینکه ورودی تریگری وجود ندارد، تنها راه این‌که دیود هدایت کند، تامین ولتاژ آستانه هدایت آن است.

دیود SRD
کاربرد این دیودها در ضرب‌کننده‌های مرتبه بالا و مدارات شکل‌دهنده پالس[3] است. فرکانس قطع SRD بسیار بالا و نزدیک مرتبه گیگا هرتز است.
تحت عناورین دیگری همچون دیود snap-off یا دیود ذخیره‌ساز بار[2] نیز نام برده می‌شود. SRD دیودهای خاصی هستند که بار پالس مثبت را ذخیره کرده و در پالس منفی سیگنال‌های سینوسی استفاده می‌کنند.زمان خیز پالس جریان معادل زمان ضربه است. با توجه به این پدیده، پالس‌های بازیابی سریع دارد.

به عنوان ضرب‌کننده، این دیودها فرکانس قطع بین 200 تا 300 گیگاهرتز دارند. در عملیاتی که در محدوده 10 گیگا هرتزی انجام می‌شوند، این دیودها نقش حیاتی دارند. همچنین برای ضرب‌کننده‌های مرتبه پایین بسیار بهینه هستند.

دیود تونلی

از دیود تونلی در سرعت‌های بالا (از مرتبه نانو ثانیه) استفاده می‌شود. به خاطر اثر تونل زنی، عملکرد سریعی در محدوده فرکانس‌های مایکرو ویوی دارند. دیود تونلی یک قطعه دو پایه است که غلظت عناصر دوپ شده آن بسیار بالاست.

پاسخ گذرای آن به ظرفیت خازن پیوند و ظرفیت خازنی سیم‌کشی محدود شده است. عمدتا در اسیلاتورها و تقویت‌کننده‌های مایکروویو استفاده می‌شوند و می‌توانند به عنوان مقاومت منفی عمل ‌کنند.

دیود واراکتور

این دیودها در بایاس معکوس، همچون خازن متغیر عمل می‌کنند. معروفیت این دیودها به خاطر این است که می‌توان در مدار مقدار ظرفیت خازنی آن‌ها را کنترل و تغییر داد.

در واراکتورها با تغییر ولتاژ بایاس معکوس، ناحیه تخلیه (تهی) دیود تغییر می‌کند و این سبب تغییر در مقدار ظرفیت خازنی می‌شود. این دیودها کاربرد فراوانی همچون اسیلاتورهای ولتاژ کنترل، پیش‌فیلترهای ماهواره و … دارند.

دیود لیزری

همانند LED ناحیه فعال آن از پیوند p-n ساخته شده‌است. دیود لیزری یک دیود p-i-n است که ناحیه فعال آن در ناحیه ذاتی قرار دارد. از دیود لیزری در فیبر نوری، بارکد خوانظ، اشاره‌گر لیزری و… استفاده می‌شود.

^[4]دیود TVS

در دستگاه‌های نیمه‌هادی به خاطر تغییرات ناگهانی ولتاژ گذرا اتفاق می‌افتد و به دستگاه صدمه وارد می‌کند. برای حل این مسئله از دیودهای TVS استفاده می‌شود. عملکرد آن ها مشابه دیود زنر است.

در حالت عادی، عملکرد آن مشابه دیود معمولی است ولی در مواجهه با ولتاژ گذرا تغییر می‌کند. در حالت عادی امپدانس آن بالاست. هنگامی که یک ولتاژ گذرا اتفاق می‌افتد، دیود وارد ناحیه شکست بهمنی شده و امپدانس بسیار پایینی فراهم می‌کند.

TVSها بسیار سریع هستند زیرا مدت زمان ناحیه شکست بهمنی‌شان در مقیاس پیکو ثانیه است. این دیود‌ها ولتاژ را در سطوح ثابتی برش داده و نمی‌گذارند فراتر از آن بروند.

دیودهای دوپ طلا شده

در این دیودها از طلا به عنوان عنصر دوپینگ استفاده شده‌است. نسبت به بقیه دیودها سریعترند و نشت جریانشان در بایاس معکوس بسیار کم است. حتی به خاطر افت ولتاژ زیادشان، بازهم قادر به کار در فرکانس‌های بالا هستند. در این دیودها طلا به بازترکیب حامل‌های اقلیت کمک می‌کند.

دیودهای فوق مانع یا [SBD[5

دیود یکسوسازی است که همانند دیود شاتکی افت ولتاژ پایین با قابلیت کنترل بار هجومی دارد و همانند دیود پیوند p-n جریان نشتی پایین در حالت بایاس معکوس دارد. این دیود برای توان‌های بالا، کلیدزنی‌های سریع و تلفات کم طراحی شده است.

دیود پلتیر

در این نوع دیودها در نقطه اتصال دو ماده نیمه‌هادی، گرمایی تولید می‌شود که از یک سمت به سمت دیگر جریان می‌یابد. جریان حرارتی همانند جریان الکتریکی در یک جهت صورت می‌گیرد.

در مقاله مربوط به TEC، به بررسی این نوع از دیودها پرداخته شده است.

دیود کریستال

این دیودها به عنوان دیودهای سبیل گربه‌ای نیز شناخته می‌شوند که یک نوع دیود تماس نقطه‌ای است. عملکرد آن بستگی به فشار اتصال بین کریستال نیم‌هادی و نقطه دارد. در این دیودها یک سیم فلزی به کریستال نیمه‌هادی فشار داده می‌شود. کریستال به عنوان کاتد و فلز به عنوان آند عمل می‌کند. این دیودها قبلا در گیرنده‌های مایکروویو استفاده می‌شدند و اکنون منسوخ شده‌اند.

دیود بهمنی

این قطعه غیر فعال طبق اصل شکست بهمنی کار می‌کند. کارایی آن در بایاس معکوس است. به خاطر یونیزاسیون تولید شده در پیوند p-n طی بایاس معکوس، جریان زیادی شکل می‌گیرد. در تولید نویزRF، تولید فرکانس مایکروویو و آشکار‌سازهای نوری کاربرد دارد.

یکسوساز کنترل‌شونده سیلیکونی یا SCR

این قطعه از سه پایه به نام گیت، آند و کاتد تشکیل شده‌است . تقریبا شبیه دیود شاتکی هستند. همانطور که از اسم آن بر می‌آید، برای کنترل ولتاژهای کوچک در مدار استفاده می‌شود.

دیود خلا

دیودهای خلا از دو الکترود ساخته شده‌اند که یکی به عنوان آند و دیگری به عنوان کاتد عمل می‌کند. کاتد از تنگستن ساخته شده‌است و که الکترون‌ها را به سمت آند منتشر می‌کند. الکترون‌ها همیشه از کاتد به آند جریان دارند و به همین دلیل همانند یک سوئیچ عمل می‌کنند.

دیود پین[6]

نسخه بهبودیافته دیود پیوند p-n معمولی دیود p-i-n می‌شود. در این دیودها نیازی به دوپینگ نیست. نیمه‌هادی ذاتی به نیمه‌هادی می‌گویند که هیچ‌گونه ناخالصی به نواحی P و N اضافه نشده است. کاربرد آن در سوئیچ‌های RF، آشکارسازهای فوتون (اشعه x و گاما) و تضعیف کننده‌هاست.

المان اتصال نقطه‌ای[7]

یک سیم طلایی یا تنگستنی به عنوان یک اتصال نقطه‌ای عمل می‌کند تا یک ناحیه اتصال p-n تولید کند. یک ناحیه کوچک پیوند p-n دور لبه اتصال سیم به صفحه فلزی تشکیل می‌شود.

عملکرد آن در بایاس مستقیم ساده است اما در بایاس معکوس، سیم همچون یک عایق عمل می‌کند. از آن‌جایی که عایق بین دو صفحه فلزی قرار دارد، دیود همانند خازن عمل می‌کند. در حالت کلی خازن جریان DC را بلوکه کرده ولی جریان AC را عبور می‌دهد. بنابراین از این دیودها در آشکارسازی سیگنال‌های فرکانس بالا استفاده می‌شود.

دیود گان[8]

دیود گان فقط از نیمه‌هادی نوع n ساخته شده‌است. ناحیه تهی بین دو ماده بسیار نازک است. هنگامی که ولتاژ در مدار افزایش می‌یابد، جریان نیز افزایش می‌یابد. بعد از سطح ولتاژ مشخصی، جریان به صورت نمایی کاهش می‌یابد و تولید یک مقاومت منفی تفاضلی می‌کند.
از دو الکترود، یکی گالیوم آرسنید و دیگری ایندیوم فسفید تشکیل شده است. همچنین از آن به عنوان المان الکترون انتقال یافته نیز یاد می‌شود؛ زیرا در هر دو جهت جریان از خود عبور می‌دهد. به عنوان تقویت‌کننده و تولید‌کننده امواج رادیویی استفاده می‌شود.